飞机损伤的激光抢修技术

飞机损伤的快速抢修是部队作战训练的需要,也是现代高技术战争确保空中优势、取得战斗主动权的重要保障.随着飞机结构新材料大量采用,传统的抢修技术难以适应要求.针对航空用钛合金、铝合金、复合材料及高温合金的战伤、磨损和腐蚀等失效特征,分析了传统飞机战伤抢修技术存在的不足,综述了国内激光加工技术在飞机损伤抢修中的应用研究进展.应用激光技术独特的优越性并引入功能梯度理念,把激光焊接、激光切割、激光熔覆应用于飞机的损伤抢修.其中包括飞机结构激光焊接修复、激光多层熔覆修复的合金粉末体系、组织特征、硬度分布规律、耐磨性和疲劳性能,飞机结构激光切割等.同时指出了飞机结构抢修领域有待解决的问题.     

航空钛合金梯度改性修复层抗高温氧化性能研究

研究了航空钛合金损伤结构梯度改性修复层和Ti600基体在800 ℃下的氧化行为; 采用恒温或循环氧化增重法、氧化速度常数、活度等理论计算研究了氧化的热力学和动力学规律; 利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析了氧化膜形貌和组成。结果表明: 梯度修复层有较好的抗氧化性能, 其循环氧化动力学曲线基本符合抛物线规律; Ti600基体属次抗氧化级, 其循环氧化动力学曲线近似符合抛物线-直线规律; 梯度修复层氧化膜由金红石结构的TiO2和少量Cr2O3组成, 厚度5～6 μm, 与基体连接紧密, 且致密、连续, 为短纤维状组织; Ti600基体的氧化膜厚度达55 μm左右, 明显分为内氧化区、中致密层和外疏松多孔层, 为多面体规则形状组织。     

钛基梯度功能涂层组织和腐蚀行为研究

为开发在高温环境、大温差条件下具有热应力缓和功能的新型耐蚀涂层,应用Nd:YAG激光在钛合金表面制备了钛基FGM和N-FGM,观察了微观组织,测量了显微硬度变化规律以及FGM和Ti600基体的耐腐蚀性能。结果表明,原位合成的TiC球状增强体弥散分布在FGM中,主要呈3种不同的形态:粗大的或不完整的树枝晶,相对较为细小的等轴或近似等轴晶和细小短纤维状晶。由于快速凝固的微观结构和大量弥散均匀分布的TiC增强相,FGM和N-FGM显微硬度值均较高,平均约为1450HV,是Ti600基材(310HV)的4.5～5倍。且随梯度层中TiC增强相含量的减少,FGM显微硬度值连续梯度降低。Ti600基体和FGM耐蚀性均较好;极化电位较低;自腐蚀电流密度小,在10-8 A.cm-2范围。FGM耐蚀性能较Ti600得到提高,腐蚀电流密度和电阻值分别为Ti600的0.72和1.31倍。     

圆柱体腔振动稳定性研究

为了降低环境振动对光学谐振腔稳定性的影响,设计了对振动不敏感的超稳腔,采用有限元数值模拟的方法,通过改变相关参量,对两U型片支撑和双横梁支撑两种圆柱体腔的支撑方式进行了数值模拟,得到了腔体的形变图。结果表明,通过改进腔的支撑方式和调整支撑位置,可以降低腔长对振动的敏感度,找到腔长变化最小且两腔镜平行的关键支撑位置。该结果可用于激光稳频和高精密激光光谱实验中。     

工艺参量对同轴送粉喷嘴气体保护效果的影响

为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响。结果表明,随着喷嘴保护气流速率的增加,保护范围先增加后减小;随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大;当侧风速率超过喷嘴气流速率50%,距喷嘴出口10mm处,气流完全偏离喷嘴轴线,完全失去对金属熔池的保护。这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据。     

军机薄壁结构损伤超声跨态处理新工艺

提出超声跨态处理（UPPW）控制激光焊接军机薄壁结构残余应力和变形的新方法.在激光焊接过程中,通过辅加超声振动场,影响激光熔池的形成、流动和凝固等几个关键跨态转变阶段及焊缝的高温超塑性固态相变阶段,达到改善焊缝凝固组织,控制焊接变形,缓释残余应力,提高接头力学性能以及减少裂纹等缺陷的目的.结果表明,UPPW工艺可以显著降低飞机薄壁焊件的残余应力和变形,在合适的工艺参数下,能够使1.5 mm厚TC4航空钛合金薄板焊接件的残余变形降至常规焊接变形量的50%左右,显微组织晶粒度提高约1个级别,且组织形态更加均匀.     

钛合金激光熔覆(Ti+Al/Ni)/(Cr2O3+CeO2)

为改进钛合金(Ti6Al4V)的耐磨性能，应用脉冲Nd:YAG激光进行了钛合金表面熔覆(Ti+Al/Ni)+(Cr2O3+CeO2)复合涂层实验，分析了工艺参数对熔覆层高度、熔深、稀释率的影响，观测了熔覆层的组织与性能。结果表明，熔覆层高度和熔深随单脉冲能量的增加而增大。单脉冲能量20 J,脉宽8 ms,频率5 Hz,扫描速度1.1 mm/s时稀释率达到最小，其值为3.95%。熔覆层组织是在细小树枝晶和共晶基体上散布的未熔Cr2O3颗粒和白亮球状液析Cr2O3，并有硬化TiAl陶瓷颗粒增强相存在。显微硬度明显提高，最高可达1150 Hv，平均是基材的3～4倍。熔覆层和基材实现良好冶金结合，白亮熔合区宽度10～20 μm。通过优化工艺参数，获得连续、均匀、无裂纹和气孔的高质量涂层。     

钛合金表面激光熔覆修复技术

为探讨压气机叶片损伤修复新工艺,采用CO2激光熔覆技术,在钛合金表面进行了激光熔覆Ti/Cr2O3复合涂层试验。通过分析各工艺参数对熔覆层质量的影响规律,优化参数组合。结果表明,激光功率为1.8 kW、扫描速度6 mm/s时,稀释率达到最小,为3.95%,得到连续、均匀、无裂纹和气孔的高质量熔覆层,实现了良好的冶金结合。显微硬度明显提高,最高可达1050 HV,平均约为基材的3倍。